ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4規(guī)范的無線技術，其具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應用層接口、工作于免授權頻段、以年計算的超低電池壽命、超低的成本、極大可伸縮的網格和星型網絡拓撲，每個主設備可支持4萬多個節(jié)點，等諸多優(yōu)點，是家庭互聯(lián)、工廠自動化、醫(yī)療設備、傳感網絡和汽車應用等的理想解決方案。本文將介紹一種利用24GHz射頻芯片CC2420實現(xiàn)ZigBee無線通信的設計。
1.射頻芯片CC2420
1.1基本介紹
CC2420是Chipcon AS公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，以0.18um CMOS工藝制成只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網。
CC2420芯片
1.2性能特點
(1)采用IEEE 802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴頻方式;
(2)數據速率達250kbps，碼片速率達2MChip/s;
(3)采用O-QPSK調制方式;
(4)超低電流消耗(RX:19.7mA,TX:17.4mA)，高接收靈敏度(-94dBm);
(5)抗鄰頻道干擾能力強(39dB);
(6)內部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1～3.6V);
(7)輸出功率編程可控;
(8)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口);
(9)開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件;
(10)IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(CTR,CBC-MAC,CCM)。
1.3芯片內部結構
CC2420芯片的內部結構如圖1所示。天線接收的射頻信號經過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2MHz，此混合I/Q信號經過濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。
圖1 CC2420芯片內部結構
發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數據先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據IEEE 802.15.4標準，所要發(fā)送的數據流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器。然后，經過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到2.4GHz，并經放大后送到天線發(fā)射出去。
2.典型應用電路
CC2420只需要極少的外圍元器件，其典型應用電路如圖2所示。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。例如當采用16MHz晶振時，其電容值約為22pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。
典型應用電路
圖2 典型應用電路
CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式，并實現(xiàn)讀/寫緩存數據，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進行的地址和數據傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內有33個16比特狀態(tài)設置寄存器，在每個寄存器的讀/寫周期中，SI總線上共有24比特數據，分別為：1比特RAM/寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀/寫控制位(0:寫，1:讀),6比特地址選擇位、16比特數據位。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。
另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。
3.配置IEEE 802.15.4工作模式
IEEE802.15.4規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調制方式，CC2420中的調制和擴頻功能框圖如圖3所示。
CC2420調制和擴頻功能框圖
圖3 CC2420調制和擴頻功能框圖
CC2420先將要傳輸的數據流進行變換，每個字節(jié)被分組為兩個符號，每個符號包括4個比特，LSB優(yōu)先傳輸。每個被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示，共有16個不同的32碼片偽隨機序列。經過DSSS擴頻變換后，碼片速率達到2Mchips/s,此碼片序列再經過O-QPSK調制，每個碼片被調制為半個周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏敚瑑赏ǖ姥訒r為半個碼片周期。
CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。
其MAC層的幀格式為，頭幀+數據幀+校驗幀;PHY層的幀格式為，同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用16 位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進行相應的幀打包和拆包操作，其RF的狀態(tài)控制圖如圖4所示。
RF狀態(tài)控制圖
圖4 RF狀態(tài)控制圖
4.開發(fā)工具及網絡組織
Chipcon為用戶提供了評估軟件-SmartRF Stu-dio，它可以幫助開發(fā)者進行產品射頻性能的評估和功能測試。同時，Chipcon還提供了開發(fā)套件，用戶可在此基礎上評估和設計真正的ZigBee網絡。此開發(fā)套件包括CC2420外圍硬件模塊和Z-StackTM Zig-Bee協(xié)議棧，其中包括各種高性能的ZigBee軟件工具，如網絡設置器、協(xié)議追蹤調試工具等。在此基礎上建立的網格式網絡(網絡結構如圖5所示)自組織性強、抗毀性強，極大程度地拓展了網絡中的節(jié)點數和無線通信范圍。
圖5 網絡結構圖
5.總結
以上就是基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計介紹了。CC2420芯片是首款符合ZigBee技術的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于免授權的2.4GHz頻段。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點，為多種電子行業(yè)提供了理想的解決方案。
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